EP0869857B1 - Verfahren zur herstellung von hartmetallbauteilen - Google Patents

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EP0869857B1
EP0869857B1 EP96942363A EP96942363A EP0869857B1 EP 0869857 B1 EP0869857 B1 EP 0869857B1 EP 96942363 A EP96942363 A EP 96942363A EP 96942363 A EP96942363 A EP 96942363A EP 0869857 B1 EP0869857 B1 EP 0869857B1
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hard metal
thermoplastic binder
hard
mpa
viscosity
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Reinhard Lenk
Claus Richter
Waldemar Hermel
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/04—Making non-ferrous alloys by powder metallurgy
    • C22C1/05—Mixtures of metal powder with non-metallic powder
    • C22C1/051—Making hard metals based on borides, carbides, nitrides, oxides or silicides; Preparation of the powder mixture used as the starting material therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/22—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces for producing castings from a slip
    • B22F3/225—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces for producing castings from a slip by injection molding

Definitions

  • the invention relates to the fields of ceramics and the hard metal industry and relates to a method for producing hard metal components, in particular with complicated geometries, e.g. as editing tools and Wear elements are used.
  • Ceramic or powder metallurgy components of complicated geometry can be manufactured by starting with a mechanical molded body Post processing of the outer contours. It is with such materials possible post-processing in molded, sintered or one between them Perform process steps given state. The increases Processing effort with the hardness of the material in the respective state, with the Complexity of the geometry and with the number of pieces.
  • thermoplastic molding process which is based on the liquefaction of non-plastic ceramic powder by paraffins and waxes is based.
  • the shape of thermoplastic suspensions is already low Pressing possible (SU 137807).
  • the process is hot pouring or Called low pressure injection molding.
  • Different ceramic materials Alluminum oxide, zirconium oxide, silicon carbide
  • the material-specific peculiarities lie primarily in the offset of the thermoplastic binder, which in any case surfactants for the Modification of the powder surface includes (SU 298566, SU 298567, DD 139397, DD 233117, DD 233119, SU 1590468).
  • Machine concepts for the realization of the Shaping processes are known (US 4416603, DD 281913). An overview on the hot casting process is also published (Lenk, R. Technische Ceramic materials, chapter 3.4.8.1).
  • a method for producing is also known Molded parts made of sintered materials by injection molding, in which one pretreated metal powder and an organic binder a plasticized Mass is processed, which after the expulsion of the binder subsequent injection molding into molded parts and then sintered.
  • the binder consists of paraffin and polyethylene wax.
  • thermoplastic binder 3rd up to 6 mPa s
  • high density differences between the hard metal powder and the binder used (12 to 24 times) no stable dispersed thermoplastic Suspensions can be made.
  • thermoplastic suspensions are the prerequisite for the production of Green bodies with reproducible homogeneity and density and thus for one production-ready industrial implementation.
  • the manufacture of sintered hard metal articles by injection molding is also known Mixing hard metal powder with a liquefied thermoplastic binder, where the mixture has a viscosity of 20 - 4000 Pa s and the binder from the Injection molded articles is expelled thermally, powder Metallurgy, Vol. 31, No. 2, 1988, pp. 106-112, Fig. 2, 4.
  • the object of the invention is to provide a method for producing Specify carbide components in the case of carbide components with complex Geometries can be created using a stable disperse Tungsten carbide binder suspension with a thermoplastic binder with a viscosity from 3 to 6 mPa s and without using an organic solvent Childbirth.
  • a hard metal powder with an average grain size ⁇ 2.0 ⁇ m with a liquefied one thermoplastic binder mixed the viscosity of the mixture during the total manufacturing and processing to a value of at least 100 mPa s and until ⁇ 4000 mPa s is set, and the resulting stable dispersion Suspension is processed into a shaped body, from which the expelled thermoplastic binder and then the debindered molding is sintered.
  • Paraffins, waxes and. are advantageously used as thermoplastic binders surfactant additives used.
  • hard materials are WC, TaC, NbC, VC TiC Mo 2 C, Co, Ni or mixtures of these hard materials in powder form.
  • Hard material powders with an average grain size of 0.5 are also advantageous up to 1.5 ⁇ m used.
  • the viscosity of the mixture of hard metal powder and liquefied thermoplastic binder throughout the manufacturing process and Processing is set to a value of 100 to 2000 mPa s.
  • the method according to the invention makes it possible to have a stable dispersion Hard-thermoplastic binder suspension to produce, which then by means Hot molding (low pressure injection molding) can be processed into a shaped body can.
  • a hard material powder mixture consisting of 16.6% by mass of Co, 87.8% by mass of WC and 1.6% by mass of TaC, NbC, VC, with an average grain size of 0.9 ⁇ m
  • a thermoplastic binder consisting of 25 g paraffin and 5 g stearic acid, processed as follows to form a slip (suspension).
  • the binder constituents paraffin and stearic acid are melted in a heated stirred vessel at 80 ° C. and 300 g of the hard metal powder are added. This mixture is stirred intensively.

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Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf die Gebiete der Keramik und der Hartmetallindustrie und betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Hartmetallbauteilen, insbesondere mit komplizierten Geometrien, wie sie z.B. als Bearbeitungswerkzeuge und Verschleißelemente zur Anwendung kommen.
Stand der Technik
Keramische oder pulvermetallurgische Bauteile komplizierter Geometrie können gefertigt werden, indem man von Rohformkörpern ausgehend eine mechanische Nachbearbeitung der äußeren Konturen durchführt. Bei derartigen Werkstoffen ist es möglich, die Nachbearbeitung im geformten, gesinterten oder einem zwischen diesen Verfahrensschritten gegebenen Zustand durchzuführen. Dabei erhöht sich der Bearbeitungsaufwand mit der Härte des Werkstoffes im jeweiligen Zustand, mit der Komplexität der Geometrie und mit der Stückzahl.
Große Stückzahlen pulvertechnologischer oder keramischer Werkstoffe werden kostengünstig durch endformnahe ("near net shape") thermoplastische Formgebungsverfahren gefertigt.
Bekannt ist das Spritzgießen von Pulvermetall und Keramik, das darauf beruht, daß ein unplastisches Pulver mit einem thermoplastischen Kunststoffbinder vermischt wird und eine bei höheren Temperaturen unter Druck fließfähige Spritzgußmasse entsteht, die auf herkömmlichen Kunststoffspritzgießmaschinen verarbeitet werden kann (US 2122960, DE 680250).
Bekannt ist ebenfalls ein thermoplastisches Formgebungsverfahren, welches auf dem Verflüssigen unplastischer keramischer Pulver durch Paraffine und Wachse beruht. Die Formgebung thermoplastischer Suspensionen ist bereits bei geringen Drücken möglich (SU 137807). Das Verfahren wird Heißgießen oder Niederdruckspritzgießen genannt. Unterschiedliche keramische Werkstoffe (Aluminiumoxid, Zirkonoxid, Siliciumcarbid) wurden mit diesem Verfahren bereits verarbeitet. Die werkstoffspezifischen Besonderheiten liegen vor allem im Versatz des thermoplastischen Binders, der in jedem Fall grenzflächenaktive Stoffe für die Modifizierung der Pulveroberfläche beinhaltet (SU 298566, SU 298567, DD 139397, DD 233117, DD 233119, SU 1590468). Maschinenkonzepte für die Realisierung des Formgebungsverfahrens sind bekannt (US 4416603, DD 281913). Eine Übersicht über das Heißgießverfahren ist ebenfalls veröffentlicht (Lenk, R. Technische Keramische Werkstoffe, Kapitel 3.4.8.1).
Bekannt ist weiterhin aus der DD 286 311 ein Verfahren zum Herstellen von Formteilen aus Sinterwerkstoffen durch Spritzgießen, bei dem aus einem vorbehandelten Metallpulver und einem organischen Bindemittel eine plastifizierte Masse aufbereitet wird, die nach dem Austreiben des Bindemittels durch anschließendes Sprizgießen zu Formteilen verarbeitet und danach gesintert wird. Das Bindemittel besteht dabei aus Paraffin und Polyethylenwachs.
Weiterhin ist nach Dropmann, u.a., Metall, 45. Jg. Heft 5, Mai 1991 der pulvermetallurgische Spritzguß von Hochleistungswerkstoffen bekannt. Die verwendeten Bindemittel bestimmen dabei im wesentlichen, ob ein Spritzgießen der Masse und eine vollständige Formfüllung möglich wird. Dabei kommt der Viskosität der Massen eine besondere Bedeutung zu. Spritzgußmassen mit einer Viskosität von < 4000 mPa s sind dabei nicht anwendbar.
Bislang ist es nicht möglich, Hartmetallwerkstoffe mit dem Heißgießverfahren zu verarbeiten, da aufgrund der niedrigen Viskosität des thermoplastischen Binders (3 bis 6 mPa s) und der hohen Dichteunterschiede zwischen dem Hartmetallpulver und dem verwendeten Binder (12- bis 24-fach) keine stabildispersen thermoplastischen Suspensionen hergestellt werden können. Die Herstellung derartiger stabildisperser thermoplastischer Suspensionen ist aber die Voraussetzung für die Fertigung von Grünkörpern mit reproduzierbarer Homogenität und Dichte und damit für eine serienfähige industrielle Umsetzung.
Hartmetallbauteile komplexer Geometrien auch in größerer Stückzahl werden bislang im wesentlichen durch eine kostenintensive mechanische Nachbearbeitung im gesinterten Zustand hergestellt.
In den letzten Jahren ist eine Spritzgußtechnologie entwickelt worden, die die Möglichkeiten einer Großserienfertigung mit dem Vorteil der Darstellung sehr komplexer Geometrien verbindet (DE 3808123.7). Um die Probleme bei diesem Verfahren, die sich aus dem hohen Dichteunterschied zwischen dem Pulver und dem Binder, sowie den sehr hohen Fließgeschwindigkeiten beim Formfüllprozeß ergeben (Entmischung und Separation), zu minimieren, werden höherviskose Kunststoffbinder verwendet. Diese temporären Kunststoffbinder werden in einem geschlossenen Entbinderungsprozeß durch Extraktion mit Hilfe organischer Lösungsmittel ausgetrieben, bevor die Bauteile gesintert werden (Graf, W. u.a., Pulvermetall in Wissenschaft und Praxis, Band 7, VDI-Verlag, Düsseldorf, 1991, S. 275- 285).
Die Grenzen dieses Verfahrens liegen in einer komplizierten Prozeßführung, hohen Werkzeugkosten, die sich erst bei sehr großen Stückzahlen amortisieren, und der aus Aspekten des Umweltschutzes schwierig zu handhabenden Verwendung großer Mengen organischer Lösungsmittel.
Bekannt ist Weiterhin die Herstellung gesinterter Hartmetallartikel durch Spritzgießen einer Mischung von Hartmetallpulver mit einem verflüssigten thermoplastichen Binder, wobei die Mischung eine Viskosität von 20 - 4000 Pa s hat und der Binder aus den Spritzgegossenen Artikeln thermisch ausgetrieben wird, powder Metallurgy, Bd. 31, Nr. 2, 1988, S. 106-112, Fig. 2, 4.
Dartellung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung von Hartmetallbauteilen anzugeben, bei dem Hartmetallbauteile mit komplexen Geometrien hergestellt werden können unter Verwendung einer stabildispersen Hartmetall-Binder-Suspension mit einem thermoplastischen Binder einer Viskosität von 3 bis 6 mPa s und ohne Einsatz eines organischen Lösungsmittel zur Entbinderung.
Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von Hartmetallbauteilen wird ein Hartmetallpulver einer mittleren Korngröße < 2,0 µm mit einem verflüssigten thermoplastischen Binder gemischt, wobei die Viskosität der Mischung während der gesamten Herstellung und Verarbeitung auf einen Wert von mindestens 100 mPa s und bis < 4000 mPa s eingestellt wird, und die so erhaltene stabildisperse Suspension zu einem Formkörper verarbeitet wird, aus dem anschließend das thermoplastische Bindemittel ausgetrieben und der entbinderte Formkörper dann gesintert wird.
Vorteilhafterweise werden als thermoplastischer Binder Paraffine, Wachse und grenzflächenaktive Zusätze eingesetzt.
Weiterhin vorteilhafterweise werden als Hartstoffe WC, TaC, NbC, VC TiC Mo2C, Co, Ni oder Mischungen dieser Hartstoffe in Pulverform eingesetzt.
Ebenfalls vorteilhafterweise werden Hartstoffpulver einer mittleren Korngröße von 0,5 bis 1,5 µm eingesetzt.
Es ist auch vorteilhaft, daß die Viskosität der Mischung aus Hartmetallpulver und verflüssigtem thermoplastischen Binder während der gesamten Herstellung und Verarbeitung auf einen Wert von 100 bis 2000 mPa s eingestellt wird.
Es ist weiterhin vorteilhaft, daß das Hartmetallpulver in mehreren Stufen dem flüssigen thermoplastischen Binder zugegeben wird.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird es möglich, eine stabildisperse Hartstoff- thermoplastische Binder-Suspension herzustellen, die dann mittels Heißgießen (Niederdruckspritzgießen) zu einem Formkörper verarbeitet werden kann.
Damit werden aufwendige Nachbearbeitungen von Hartmetallbauteilen in jedem Zustand der Herstellung vermieden und es ist weder ein solch hoher technologischer Aufwand notwendig, wie ihn der Einsatz von höherviskosen Binder erfordert, noch müssen große Mengen an organischen Lösungsmitteln für die Entbinderung eingesetzt werden.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens werden auch trotz der auftretenden großen Dichteunterschiede zwischen den Hartstoffpulvern und dem Binder stabildisperse Suspensionen erreichbar. Die Primärteilchen in der Suspension werden stabilisiert und eine Sedimentation und damit der Verlust der Homogenität der Mischung wird vermieden.
Bester Weg zur Ausführung der Erfindung
Im weiteren wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel erläutert.
Beispiel
500 g eines Hartstoffpulvergemisches, bestehend aus 16,6 Ma.-% Co, 87,8 Ma.-% WC und 1,6 Ma.-% TaC, NbC, VC, mit einer mittleren Korngröße von 0,9 µm werden mit einem thermoplastischen Binder, bestehend aus 25 g Paraffin und 5 g Stearinsäure, folgendermaßen zu einem Schlicker (Suspension) verarbeitet.
Die Binderbestandteile Paraffin und Stearinsäure werden in einem beheizten Rührgefäß bei 80 °C aufgeschmolzen und 300 g des Hartmetallpulvers wird dazugegeben. Diese Mischung wird intensiv gerührt. Da sich während des Rührens die Viskosität der Mischung deutlich verringert, werden vor Unterschreiten einer Viskosität von 100 mPa s weitere 100 g des Hartstoffpulvergemisches zu der Mischung gegeben. Dadurch wird die Viskosität der Mischung sofort erhöht und die Sedimentationsstabilität des Schlickers ist weiterhin gegeben. Nach weiterem intensiven Rühren werden die restlichen 100 g Hartstoffpulver zugegeben und weiterhin gerührt.
Der so hergestellte Schlicker wird aus einem Vorratsbehälter, der mit einem Druck von 0,6 MPa beaufschlagt ist, über ein Rohrleitungssystem in eine geschlossene Form mit der Negativbauteilform mit einer komplexen Geometrie gefördert. Nach dem Erkalten des Schlickers wird die Form geöffnet, das Bauteil durch langsame Temperaturerhöhung unter Inertgas bis 300 °C entbindert und anschließend bei 1450 °C gesintert.

Claims (6)

  1. Verfahren zur Herstellung von Hartmetallbauteilen, bei dem ein Hartmetallpulver einer mittleren Korngröße < 2,0 µm mit einem verflüssigten thermoplastischen Binder gemischt wird, wobei die Viskosität der Mischung während der gesamten Herstellung und Verarbeitung auf einen Wert von mindestens 100 mPa s und bis < 4000 mPa s eingestellt wird, und die so erhaltene stabildisperse Suspension zu einem Formkörper verarbeitet wird, aus dem anschließend das thermoplastische Bindemittel ausgetrieben und der entbinderte Formkörper dann gesintert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als thermoplastischer Binder Paraffine, Wachse und grenzflächenaktive Zusätze eingesetzt werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als Hartstoffe WC, TaC, NbC, VC, TiC, Mo2C, Co, Ni oder Mischungen dieser Hartstoffe in Pulverform eingesetzt werden.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem Hartstoffpulver einer mittleren Korngröße von 0,5 bis 1,5 µm eingesetzt werden.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Viskosität der Mischung aus Hartmetallpulver und verflüssigtem thermoplastischen Binder während der Herstellung und Verarbeitung auf einen Wert von 100 bis 2000 mPa s eingestellt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Hartmetallpulver in mehreren Stufen dem flüssigen thermoplastischen Binder zugegeben wird.
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